Donkere materiedeeltjes kunnen zich alleen tegen elkaar verspreiden als ze de juiste energie raken, zeggen onderzoekers in Japan, Duitsland, en Oostenrijk in een nieuwe studie. Hun idee helpt verklaren waarom sterrenstelsels van de kleinste tot de grootste de vormen hebben die ze hebben.

Donkere materie is een mysterieuze en onbekende vorm van materie die tegenwoordig meer dan 80 procent van de materie in het universum omvat. De aard ervan is onbekend, maar natuurkundigen geloven dat de zwaartekracht verantwoordelijk is voor het vormen van sterren en sterrenstelsels, die tot ons bestaan ​​hebben geleid.

"Donkere materie is eigenlijk onze moeder, die ons allemaal heeft gebaard. Maar we hebben haar niet ontmoet; op de een of andere manier, we zijn gescheiden bij de geboorte. Wie is zij? Dat is de vraag die we willen weten, " zegt papierauteur Hitoshi Murayama, een University of California Berkeley Professor en Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe hoofdonderzoeker.

Astronomen hebben al ontdekt dat donkere materie niet zoveel lijkt samen te klonteren als computersimulaties suggereren. Als zwaartekracht de enige kracht is die donkere materie aandrijft, alleen trekken en nooit duwen, dan zou donkere materie zeer dicht moeten worden in de richting van de centra van sterrenstelsels. Echter, vooral in kleine vage sterrenstelsels die dwergsferoïden worden genoemd, donkere materie lijkt niet zo dicht te worden als verwacht in de richting van galactische centra.

Deze puzzel kan worden opgelost als donkere materie zich als biljartballen tegen zichzelf verspreidt, waardoor deeltjes zich na een botsing gelijkmatiger kunnen verspreiden. Maar een probleem met dit idee is dat donkere materie lijkt samen te klonteren in grotere systemen zoals clusters van sterrenstelsels. Wat maakt dat donkere materie zich anders gedraagt ​​tussen dwergsferoïden en clusters van sterrenstelsels? Een internationaal team van onderzoekers heeft een verklaring ontwikkeld die dit raadsel zou kunnen oplossen, en onthullen wat donkere materie is.

"Als donkere materie alleen met een lage maar zeer speciale snelheid met elkaar verstrooit, het kan vaak voorkomen bij dwergsferoïden, waar het langzaam beweegt, maar het is zeldzaam in clusters van sterrenstelsels waar het snel beweegt. Het moet een resonantie raken, " zegt de Chinese natuurkundige Xiaoyong Chu, een postdoctoraal onderzoeker aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen.

Resonantie is een veelvoorkomend fenomeen:als je wijn in een glas laat wervelen om het bloot te stellen aan zuurstof en meer aroma te produceren, moet je het glas met precies de juiste snelheid ronddraaien. Oude analoge radio's moeten op de juiste frequentie worden afgestemd. Dit zijn voorbeelden van resonantie, en het team vermoedt dat resonantie deze puzzel met donkere materie kan verklaren.

"Zo ver we weten, dit is de eenvoudigste uitleg van de puzzel. We zijn opgewonden omdat we misschien binnenkort weten wat donkere materie is, ' zegt Muraya.

Echter, het team was er niet van overtuigd dat zo'n eenvoudig idee de gegevens correct zou verklaren. "Eerst, we waren een beetje sceptisch dat dit idee de waarnemingsgegevens zou verklaren; maar toen we het eenmaal probeerden, het werkte als een tierelier, " zegt de Colombiaanse wetenschapper Camilo Garcia Cely, een postdoctoraal onderzoeker aan de Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) in Duitsland.

Het team gelooft dat het geen toeval is dat donkere materie precies de juiste toon kan raken. "Er zijn veel andere systemen in de natuur die soortgelijke ongevallen laten zien:in sterren, alfadeeltjes raken een resonantie van beryllium, die op zijn beurt een resonantie van koolstof raakt, het produceren van de bouwstenen die aanleiding gaven tot het leven op aarde. Een soortgelijk proces vindt plaats voor een subatomair deeltje genaamd phi, ' zegt Garcia Cely.

"Het kan ook een teken zijn dat onze wereld meer dimensies heeft dan we zien. Als een deeltje in extra dimensies beweegt, het heeft energie. voor mensen, die de extra dimensie niet zien, we denken dat de energie eigenlijk massa is, dankzij Einsteins E=mc ² . Misschien beweegt een deeltje twee keer zo snel in een extra dimensie, waardoor zijn massa precies twee keer zo groot is als de massa van donkere materie, " zegt Chu.

De volgende stap van het team zal zijn om observatiegegevens te vinden die hun theorie ondersteunen. "Als dit waar is, toekomstige en meer gedetailleerde observaties van verschillende sterrenstelsels zullen onthullen dat verstrooiing van donkere materie dat wel doet, inderdaad, afhankelijk van de snelheid, " zegt Murayama, die ook een aparte internationale groep leidt die van plan is dergelijk onderzoek uit te voeren met behulp van de Prime Focus Spectrograph, nu in aanbouw. Het instrument van 80 miljoen dollar zal worden gemonteerd op de Subaru-telescoop bovenop Mauna Kea op Big Island, Hawaii, en zal in staat zijn om de snelheden van duizenden sterren in dwergsferoïden te meten.

De paper van het team is op 22 februari online gepubliceerd door Fysieke beoordelingsbrieven .